عنوان پایان‌نامه
بررسی تجربی و مدلسازی ریاضی واکنش های دو فازی گاز جامد در بستر های بیو نانو کاتالیست
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی-انرژی و محیط زیست
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1378.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 66080
- تاریخ دفاع
- ۱۴ بهمن ۱۳۹۱
- دانشجو
- خدیجه شرافتمند
- استاد راهنما
- شهره فاطمی, زینب صالحی
- چکیده
- استالدهید به عنوان یکی از محصولات تولیدی در کارخانجات مواد شیمیایی، درحال حاضر مازاد بر نیاز بازار بوده و لازم است به ماده ارزشمندتری تبدیل گردد . با این هدف در پروژه حاضر، تبدیل استالدهید به اتانول در یک فرآیند بیوکانالیستی دوفازی گاز-جامد مورد مطالعه قرار گرفت. این فرایند در یک بستر ثابت پرشده از یک مخمر (گونه ساکارومایسس سرویزیه)، به دو صورت تثبیت نشده و نیز تثبیت شده برروی نانولوله کربنی چند دیواره دریک راکتور پیوسته مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. اثر بعضی از عوامل موثر در فرایند ازجمله رطوبت در بازه 07/0 تا 49/0گرم آب بر گرم سلول خشک ، دما در بازه 30 تا 55 درجه سلسیوس، سرعت جریان ورودی گاز در دو سطح 5 و 10 سانتی متر مکعب بر دقیقه و غلظت استالدهید ورودی در بازده 24/0 تا 86/0 میکرومول بر سانتی متر مکعب بر راندمان و بهره وری تولید اتانول از استالدهید مطالعه شده است. سپس با مدل سازی ریاضی در راکتور، مدل های سینتیکی مختلف حاکم بر فرایند بیوکاتالیستی بررسی شد و پارامترهای سینتیکی در یک مدل راکتور پرشده با پراکندگی محوری در شرایط پایا با روش بهینه سازی غیرخطی تعیین گردیده است. ازآنجا که یکی ازاهداف این پروژه حذف حجم زیاد آب در سیستم های معمول و انجام واکنش در فاز گاز بوده است، بدین منظور ابتدا آزمایشاتی جهت تعیین شرایط بهینه رطوبت و دما برای حداکثر فعالیت کاتالیست با سلول تثبیت نشده صورت گرفت. مقادیر بهینه برای محتوی آب و دما، برای این منظور به ترتیب حدود 25/0-2/0 گرم آب بر گرم سلول خشک و 45 درجه سلسیوس تعیین گردید. به طوری که در این دما و میزان رطوبت، با 200 میلی گرم سلول خشک در سرعت فضایی 0286/0 (دقیقه /1)، استالدهید اولیه با غلظت های 24/0 تا 8/0 میکرومول بر سانتی متر مکعب به ترتیب با راندمان های %92 تا %7/59، به اتانول تبدیل می گردد. نتایج حاصل از بررسی های تجربی در دما و رطوبت بهینه، نشان داده است که استالدهید خود دارای نقش بازدارندگی در انجام فرایند می باشد. تثبیت سلول در نانو لوله های کربنی نه تنها باعث افزایش فعالیت سلول شد بلکه باعث افزایش پایداری آن نیز گردیده است، به طوری که برای 200 میلی گرم سلول خشک و نسبت نانولوله به سلول خشک 04/0 با غلظت استالدهید ورودی معادل 8/0میکرومول بر سانتی متر مکعب و سرعت فضایی 0286/0 (دقیقه/1) ،افزایش 6% برای میزان تبدیل و افزایش %37/43 برای پایداری بیو کاتالیست نتیجه شده است. نتایج حاصل موید مدل سینتیکی همراه با اثر بازدارندگی سوبسترا می باشد که در سیستم تثبیت شده پارامتری که نشان دهنده بازگشت واسطه فعال به مواد اولیه می باشد، با حضور نانولوله کربنی به مقدار قابل توجهی کاهش یافته است. در نهایت جهت فعال کردن مجدد بیو کاتالیست می توان واکنش بازیابی را جهت تولید کوفاکتور مورد نیاز با یک واکنش اکسایشی انجام داد و فرایند را دریک سیکل چرخشی به طوری مداوم با بازیابی فعالیت بیو کاتالیست تکرار کرد.
- Abstract
- In the present work, the conversion of acetaldehyde to ethanol in a gas-solid bio catalytic system was studied. For this goal, a fixed bed of the (Saccharomyces cerevisiae) baker's yeast whole cells in a continuous reactor was used in which the performance of the free cell was compared with the MWNT-immobilized cell. The effect of several important factors such as water content, temperature, inlet gas flow rate and the concentration of acetaldehyde in the inlet of the bed on yield and productivity have been investigated. Then, the mathematical modeling of the bed was studied in order to find the best kinetic model governing the process in which the kinetic parameters in a fixed bed model with axial dispersion and steady state have been determined by nonlinear optimization method. Since elimination of the high volume of water from the common systems and doing the process in gas phase were very important in this study, different experiments were carried out to determine the optimum condition that the results showed 45 °C and 0.2-0.25 gr water/gr dry cell for temperature and water content respectively. For 200 mg dry cell in optimum condition, yields of 59.7 % until 92% were achieved. The experimental results showed that the acetaldehyde plays an inhibiting role in the process and decreases the activity of cell. The immobilization of cell on CNT not only increases the activity of cell but also increases the stability so that for 200 mg dry cell, the ratio of CNT to dry cell 0.04 and the concentration of acetaldehyde 0.8 µmol/cm3 in the inlet flow, the conversion and stability of biocatalysis have been increased 6% and 43.37% respectively. The results of the modeling reveal that the kinetic model in which the substrate acts as the cell activity inhibitor is more sufficient for this system. The parameter that represents the return of the active intermediate to ingredients increases significantly in the presence of carbon nanotubes. The main drawback to continuing the process is the consumption of NADH which an oxidation reaction in parallel with the reduction reaction can reduce NAD+ to NADH in situ and resolve this problem.
